變頻調速技術在煤礦帶式輸送機上的應用

摘要： 在煤炭行業，帶式輸送機已經成為主要的生產運輸設備。為了滿足企業的生產需要和擴大規模等問題，帶式輸送機在驅動電機的選擇上都會留有較大的冗余度。由于煤礦開采的不均衡性，輸送機的運量不能保持穩定，導致帶式輸送機運量不足，經常處于“大馬拉小車”的狀態。

關鍵詞：帶式輸送機； 變頻調速； 節能

前言

眾所周知，煤炭企業是耗電大戶，其電耗成本占其生產成本相當大的比例。在煤礦企業中，由于生產設備一般滿足服務年限長的特點，選型較大造成大馬拉小車的現象，電能浪費嚴重，設備運行效率往往都比較低。

對于煤礦生產企業來說，電耗所占比例相當大，根據調查，風機、水泵、壓縮機、提升絞車、瓦斯抽放設備的用電量占整個煤礦生產用電量的40%以上。但是有很大一部分電能是白白浪費掉的。如果采用擋板、閥門來進行調節往往造成比較大的浪費，而采用電動機變頻調速來調節流量，這樣可以節省20%～50%左右，自然可能產生巨大的社會和經濟效應。對于大負荷電機來說，往往啟動時間長、電流大，設備絕緣強度受到嚴重影響，容易燒毀大功率電動機。并且啟動時對機械部分設備沖擊較大，往往造成較為嚴重的機械損傷。

所以說，這樣不僅僅增加了設備維修成本，而且對于電網安全造成很大沖擊。控制工藝單一，同時實時性較差，自動化程度低。

1.變頻調速技術的原理

交流變頻調速技術是微機技術、電力電子技術和電機傳動技術的綜合應用，是強弱電混合、機電一體的綜合性技術。其實質是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，其基本原理是通過整流橋將工頻交流電壓變為直流電壓，再由逆變器轉換為頻率、電壓可調的交流電壓作為交流電機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需的電壓和電流，是一種無附加轉差損耗的高效調速方式之一。變頻調速技術之所以在能源危機中應運而生，就是因為它能根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速、減速，從而大幅度提高工作效率。

2.變頻調速技術在煤礦生產中的具體應用

2.1.帶式輸送機在煤礦生產中的節能問題

帶式輸送機作為煤礦運輸的主要設備被大量采用，隨著煤礦高產高效工作面的發展，長距離、大運量、高速帶式輸送機越來越多的被設計、制造并投入運行。這些大型機種的使用，使輸送機存在的沖擊載荷大、驅動電機出力不均而導致電機過載等問題更加尖銳地暴露出來。皮帶機的啟動和運行方式為繞線電機經轉子繞組降壓啟動后工頻運行，經液力耦合器切換至皮帶機。皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅動輪轂，靠摩擦力牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。

因此對帶式輸送機的起動和運行提出下列要求：如果電機直接重載起動時，要求電源提供比正常運行時大6-7倍的電流，這樣電機就會因電流過大和起動時間過長而過熱燒毀；電網會因大電流使電壓過分降低而影響其它設備運轉；所以要求新型驅動系統能夠降低電機起動時的電流。目前大型帶式輸送機都要求驅動系統能提供可調、平滑的、無沖擊的起動力矩，以減小沖擊，從而改善對整機的受力狀況，延長整機的壽命，提高設備的可靠性，即希望實現軟起動。長距離帶式輸送機，如果起動過快，拉緊裝置就來不及拉緊，使得傳動滾筒打滑，導致發熱著火。

綜上所述，要求驅動系統能夠自適應起動、運行、停車工況的要求，使帶式輸送機起停平穩、運行高效、驅動平衡、工作安全可靠。然而，目前國內大多數煤礦采用液力耦合器來實現皮帶機的軟啟動，在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。

2.2.變頻調速技術在帶式輸送機中的應用

帶式輸送機中的變頻調速自動控制系統由可編程序控制器PLC、變頻器、電流互感器、電流變送器、核子皮帶秤、帶速傳感器和電機轉速傳感器等組成，具體可歸納為檢測單元、控制單元和執行單元三部分。

檢測單元：電流互感器及變送器取得電機電流信號。帶速傳感器采集的帶速信號，經過轉換為電壓信號。

控制單元：當PLC接收到檢測信號，經過判斷決策，完成帶式輸送機的起動、功率平衡、節能調速功能。同時主控單元還具有斷帶、堆煤、撕帶、煙霧、打滑、溫度等故障保護功能。

執行單元：變頻器接收到PLC的頻率控制信號，按給定信號輸出相應頻率的電壓加至電動機，實現電機的調速，完成帶式輸送機的各種功能。

系統的功率因數在整個過程中達0.9以上，大大節省了無功功率。采用變頻器驅動后，使系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率高5%～10%系統效率。改造后系統可以根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節約了電力能源消耗。

經實際運行發現，使用高壓變頻器的皮帶機有以下優點：

2.2.1.高壓變頻器具有高可靠性、穩定性、防護性；

2.2.2.高壓變頻器能夠對2臺電機的同軸同步軟啟動，軟停止功能。起動、停止能按所設定的皮帶特性曲線運行。在運行過程中能夠自動地實現轉差調節和功率平衡調節；

2.2.3. 變頻器的輸出力矩不小于電動機額定力矩，可使電機能輸出超過額定起動輸出轉矩。滿足負載變化大的承受能力和煤炭壓帶時的再起動的能力；

2.2.4.滿足煤礦電控系統的功能接口和監控要求；

2.2.5.皮帶運輸機在煤量不大和在安裝皮帶的情況下要求降速運行，不需要滿負荷運行。利用高壓變頻器根據實際情況對電機進行調速，既符合工藝要求，又達到節能降耗目的；

2.2.6.變頻器啟動過程平穩，無沖擊，體積小，好搬運；

2.2.7.電機滿載時，變頻調速系統效率≧96%；

2.2.8.變頻器輸入側功率因數≧95%（大于20%負載時）；

3.結語

總之，變頻器在煤礦的應用已經取得了良好的效果，隨著新型電力電子器件的發展及性能的不斷提高，變頻調速技術在煤礦生產的應用會發揮更大作用，取得更加顯著的經濟效益。

作者簡介：

朱明生（1966-）男，甘肅涇川人，機電工程師，現任甘肅省華亭煤業集團馬蹄溝煤礦機電副總工程師，主要研究方向為煤礦機電。